Xây dựng mô hình hệ thống tự động xác định hình dạng kích thước khúc gỗ trong dây chuyền xẻ gỗ tự động

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Nếu nội dung nghiên cứu trùng lặp với cơng trình nghiên cứu cơng bố, tơi xin hồn tồn chụi trách nhiệm tn thủ kết luận đánh giá luận văn Hội đồng khoa học Biên Hòa, ngày 15 tháng năm 2017 Người cam đoan Nguyễn Quang Vinh ii LỜI CẢM ƠN Nhân dịp hồn thành luận văn cho phép tơi bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS Dương Văn Tài, dành nhiều thời gian bảo tận tình giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Trân trọng cảm ơn lãnh đạo nhà trường, phòng sau Đại học, khoa Cơ điện Cơng trình trường Đại học Lâm nghiệp giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành nhiệm vụ học tập nghiên cứu Trân trọng cảm ơn Ban giám đốc, phịng Khoa học cơng nghệ hợp tác quốc tế Phân hiệu Trường Đại học Lâm nghiệp Miền Nam giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành nhiệm vụ học tập nghiên cứu Trân trọng cảm ơn lãnh đạo Sở Khoa học Công nghệ tỉnh Đồng Nai tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành khóa học luận văn tốt nghiệp Trân trọng cảm ơn Nhà khoa học, bạn đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến q báu suốt q trình làm hồn chỉnh luận văn Biên Hịa, ngày 15 tháng năm 2017 Tác giả luận văn Nguyễn Quang Vinh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH vii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu 3 Phạm vi nghiên cứu 3.1 Thiết bị nghiên cứu 3.2 Đối tượng nghiên cứu Nội dung nghiên cứu 4.1.Nghiên cứu lý thuyết: 4.2.Nghiên cứu thực nghiệm: Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát tình hình chế biến gỗ Việt Nam 1.2 Khái quát dây chuyền xẻ gỗ tự động 1.3 Tổng quan cơng trình nghiên cứu dây chuyền xẻ gỗ tự động 11 1.3.1 Các cơng trình nghiên cứu nước 11 1.3.2 Các cơng trình nghiên cứu nước dây chuyền xẻ gỗ tự động 13 1.4 Tổng quan cơng trình nghiên cứu liên quan đến hệ thống tự động xác định hình dạng kích thước khúc gỗ 15 Chương 17 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 2.1 Đối tượng trình đo 17 2.1.1 Nguyên liệu gỗ nhập 17 iv 2.1.2 Nguyên liệu gỗ từ rừng trồng 18 2.2 Thiết bị nghiên cứu 19 2.3 Phương pháp nghiên cứu 19 2.4.1 Phương pháp thu thập vàxử lý thông tin 19 2.4.2 Phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia 19 2.4.3 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 20 2.4.4 Phương pháp đồng dạng mô 20 Chương 21 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC KHÚC GỖ TRONG 21 DÂY CHUYỀN XẺ GỖ TỰ ĐỘNG 21 3.1 Phân tích lựa chọn phương án qt hình dạng, kích thước mặt cắt ngang khúc gỗ 21 3.1.1 Phương án đo tiếp xúc 21 3.1.2 Phương án không tiếp xúc 23 3.1.3 Ứng dụng đo khơng tiếp xúc việc xác định kích thước vật thể 25 3.1.4 Lựa chọn hệ thống qt hình dạng, kích thước mặt cắt ngang khúc gỗ 33 3.2 Đề xuất phương án thiết kế hệ thống qt hình dạng, kích thước mặt cắt ngang khúc gỗ sử dụng tia Laser 34 3.2.1 Cơ sở xác định đường kính khúc gỗ 34 3.2.2 Đề xuất phương án xác định đường kính khúc gỗ 35 3.3 Xây dựng chương trình cho PLC để đo kích thước 44 3.3.1 Kết nối phần cứng PLC 44 3.3.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán 48 3.4 Xây dựng cấu trúc truyền thơng liệu máy tính PLC 54 3.4.1 Khởi động chương trình truyền thơng 55 3.4.2 Thiết lập truyền thông 55 3.4.3 Thiết lập cấu trúc vùng nhớ 58 3.5 Xây dựng giao diện giám sát hiển thị liệu 59 v 3.5.1 Thiết lập Module nghiên cứu 59 3.5.2 Xây dựng giao diện hiển thị cho Module - MAIN 61 3.5.4 Thiết kế, xây dựng giao diện cho Module - BÁO CÁO 65 Chương 66 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 66 4.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm 66 4.2 Nội dung nghiên cứu thực nghiệm 66 4.3 Kết thực nghiệm 66 4.3.1 Thiết bị thí nghiệm 66 4.3.2 Tổ chức thí nghiệm 67 4.3.3 Kết thí nghiệm 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 Kết luận 70 Kiến nghị 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO vi DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Bảng tóm tắt thơng số RS485 44 Bảng 3.2: Các Module thiết lập cho nghiên cứu 59 Bảng 4.1 : Kết xác định đường kính xẻ 69 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Mơ hình dây chuyền thiết bị xẻ gỗ tự động Hình 1.2 Mơ hình dây chuyền xẻ gỗ tự động đề tài đề xuất thiết kế chế tạo Hình 1.3 Hệ thống rọc rìa dây chuyền xẻ gỗ tự động 10 Hình 1.4: Dây chuyền xẻ gỗ tự động Italia chế tạo 12 Hình 2.1: Gỗ trịn nhập từ nước 17 Hình 2.2: Ngun liệu gỗ trịn đưa vào xẻ từ gỗ rừng trồng 18 Hình 3.1: Kết cấu thước cặp dùng để đo bề mặt ngoài, bề mặt chiều sâu 21 Hình 3.2: Kết cấu đầu dị đo đường kinh xác định mặt cắt ngang vật thể [12] 22 Hình 3.3: Hệ thống Laser kiểm tra độ kín đóng gói sản phẩm 24 Hình 3.4: Hệ thống sensor E3Z-B hãng Omron 24 Hình 3.5: Cảm biến E3S-CL, phát miếng bánh dây chuyền 25 Hình 3.6: Sóng phát phản xạ lại từ vật 28 Hình 3.7:TOF tính theo biên độ lớn tín hiệu phản xạ để tăng độ xác 29 Hình 3.8: Nguyên lý đo chiều dày vật thể sử dụng tia laser 31 Hình 3.9:Bộ thu phát Laser IL-600 hãng Keyence 32 Hình 3.10:Bộ thu phát Laser Seri IG hãng Keyence 32 Hình 3.11: Dải đo Laser Seri IG[22] 33 Hình 3.12: Nguyên lý đo đường kính vật thể trịn sử dụng Laser 35 Hình 3.13: Ngun lý đo đường kính vật thể trịn Laser với việc lấy mẫu tín hiệu tốc độ chuyển động vật 36 Hình 3.14: Cấu tạo hệ thống qt hình dạng, kích thước mặt cắt ngang khúc gỗ 36 Hình 3.15: Mặt cắt theo hình chiếu đứng 37 Hình 3.16: Mặt cắt theo hình chiếu cạnh 37 Hình 3.17: Mặt cắt ngang khúc gỗ 38 Hình 3.18:Hệ thống thu thập, xử lý hiển thị liệu 38 Hình 3.19: Bộ thu phát Laser LV-S71 39 Hình 3.20: Cấu tạo giá lắp phụ kiện 40 Hình 3.21: PLC FX3G 24MR/ES-A 40 viii Hình 3.22: Màn hình hiển thị HMI-MT8102iE 42 Hình 3.23:Mức điện áp RS-422 43 Hình 3.24: IC giao tiếp chuẩn RS-422 43 Hình 3.25: Lưu đồ thuật tốn chương trình 49 Hình 3.26: Lưu đồ thuật toán kiểm tra điều kiện đầu vào 50 Hình 3.27: Lưu đồ thuật tốn tính bán kính khúc gỗ 51 Hình 3.28: Kết nối truyền thơng PC PLC 54 Hình 3.29: Kết nối truyền thông PC PLC phịng thí nghiệm 54 Hình 3.30: Giao diện thiết lập truyền thông 55 Hình 3.31: Thiết lập Port truyền thơng 55 Hình 3.32: Thiết lập thiết bị truyền thông 56 Hình 3.33: Thiết lập giao thức truyền thông 57 Hình 3.34: Kết sau thiết lập cấu trúc vùng nhớ 58 Hình 3.35: Kết thiết lập Module 60 Hình 3.36: Giao diện lập đồ xẻ tối ưu 60 Hình 3.37: Giao diện lập đồ xẻ tối ưu 61 Hình 3.38: Panel hiển thị Modul-MAIN 62 Hình 3.39: Thuật tốn vẽ 3D mơ biên dạng khúc gỗ 63 Hình 3.40: Thiết kế hiển thị cho điểm đo thứ 64 Hình 3.41: Kết hiển thị cho điểm đo 64 Hình 3.42: Bảng sở liệu kích thước khúc gỗ xây dựng 65 Hình 4.1: Thiết bị thí nghiệm 66 Hình 4.2: Q trình thí nghiệm 67 Hình 4.3: Quá trình đo hệ thống laser kiểm tra thước kẹp 68 Hình 4.4: Kết đo hiển thị hình 69 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Việt Nam nước có cơng nghiệp chế biến gỗ phát triển, năm 2016 tổng kim ngạch xuất gỗ sản phẩm gỗ Việt Nam đạt gần tỷ USD, tăng 1,1% so với năm 2015, đứng thứ nhóm mặt hàng, ngành hàng xuất hàng đầu Việt Nam.Trong đó, kim ngạch xuất sản phẩm từ gỗ đạt 5,12 tỷ USD, tăng 7,1% so với năm 2015, chiếm 73,6% tổng kim ngạch xuất gỗ sản phẩm gỗ toàn ngành năm 2016 - Xuất khối doanh nghiệp FDI Năm 2016, kim ngạch xuất G&SPG doanh nghiệp FDI đạt 3,3 tỷ USD, xấp xỉ năm ngoái, chiếm 47,36% tổng kim ngạch xuất G&SPG nước (tỷ lệ năm 2015 47,84%).Trong đó, xuất sản phẩm gỗ đạt gần tỷ USD, xấp xỉ năm 2015, chiếm 58,44% tổng kim ngạch xuất sản phẩm gỗ nước - Thị trường xuất Năm 2016, Hoa Kỳ tiếp tục thị trường xuất G&SPG lớn Việt Nam, đạt 2,8 tỷ USD, tăng 6,93% so với năm 2015, chiếm tới 41% tổng kim ngạch xuất G&SPG nước Tiếp đến thị trường Trung Quốc, đạt tỷ USD, tăng 3,82% so với năm 2015, chiếm 15% tổng kim ngạch xuất Bên cạnh đó, xuất G&SPG sang thị trường Hàn Quốc, Anh Australia tăng trưởng khá, với mức tăng 16,06%; 6,97% 7,6% so với năm 2015 Từ tạo hàng triệu việc làm cho xã hội, góp phần giải lao động nông nghiệp nông thơn Hiện việc áp dụng giới hóa chế biến lâm sản nói chung sản xuất đồ mộc cao, tỷ lệ áp dụng giới hóa vào sản xuất đồ mộc số sở sản xuất đạt 90-95%, hầu hết khâu sản xuất quan trọng, mặng nhọc điều áp dụng giới hóa khâu xẻ ván, xẻ thanh, khâu bào, đục mộng, đánh nhẵm, sơn phủ Tuy nhiên việc áp dụng thiết bị giới hóa chế biến gỗ Việt Nam cịn nhiều hạn chế, thiết bị có suất chất lượng thấp tiêu tốn nhiều điện năng, tốn nhiều công lao động, nhiều thiết bị máy móc chưa phù hợp với đối tường Năn 2016 Bộ khoa học Công nghệ giao cho trường Đại học Lâm nghiệp chủ trì đề tài cấp quốc gia "Nghiên cứu thiết kế chế tạo dây chuyền thiết bị xẻ gỗ tự động" nhằm nâng cao suất chất lượng ván xẻ, nâng cao tỷ lệ thành khí giảm chi phí lao động Trong dây chuyền xẻ gỗ tự động khâu quan trọng phải xác định hình dạng khích thước khúc gỗ trước đưa vào xẻ, gỗ khác có kích thước hình dạng khác gỗ trước đưa vào xẻ cần phải xác định hình dạng, độ thót ngọn, độ cong đường kính thân Trong cơng nghệ xẻ gỗ tự động trước tiến hành xẻ gỗ cần thiết phải lập đồ xẻ tối ưu, muốn lập đồ xẻ tối ưu cần thiết phải xác định hình dạng kích thước khúc gỗ đưa vào xẻ Hiện Việt Nam việc xác định hình dạng kích thước khác gỗ chủ yếu thước mét, đo thủ công một, nên không đáp ứng yêu cầu xẻ gỗ tự động, mặt khác gỗ khác có kích thước hình dạng khác gỗ trước đưa vào xẻ cần phải xác định hình dạng, độ thót ngọn, độ cong đường kính thân Do việc xác định hình dạng kích thước khúc gỗ phải thực tự động hóa, số liệu sau xác định đầu vào cho phần mềm tự động tính tốn lập đồ xẻ tối ưu Việc nghiên cứu hệ thống tự động đo, tính tốn xác định hình dạng, kích thước khác gỗ cần thiết nhằm nâng cao tỷ lệ thành khí cơng nghệ xẻ gỗ, chưa có cơng trình nghiên cứu vấn đề công bố Việt Nam Xuất phát từ lý nêu tác giả chọn thực đề tài: “Xây dựng mô hình hệ thống tự động xác định hình dạng, kích thước khúc gỗ dây chuyền xẻ gỗ tự động” PHỤ LỤC 05 THIẾT LẬP CÁC TAG Làm Tag cho hệ thống Bảng 4.1: Các Tag cần thiết lập Định địa PLC Run Chạy chương trình X000 Stop Dừng chương trình X001 EmergencyStop Dừng khẩn cấp chương trình X002 RunLight Đèn báo chương trình hoạt động Y000 StopLight Đèn báo dừng chương trình Y001 ESLight Đèn báo chương trình dừng khẩn cấp Y002 SpeedPulse Xung lấy mẫu tốc độ thu qua đếm C0 C0 PLC LSPulse1 Số xung thu qua cảm biển Laser số C1 Dùng để tính đường kính khúc gỗ điểm thứ Thu qua đếm C1 PLC LSPulse2 Số xung thu qua cảm biển Laser số C2 Dùng để tính đường kính khúc gỗ điểm thứ Thu qua đếm C2 PLC LSPulse3 Số xung thu qua cảm biển Laser số C3 Dùng để tính đường kính khúc gỗ điểm thứ Thu qua đếm C3 PLC LSPulse4 Số xung thu qua cảm biển Laser số C4 Dùng để tính đường kính khúc gỗ điểm thứ Thu qua đếm C4 PLC Diameter1 Đường kính khúc gỗ điểm thứ nhất, D9 lưu giữ ô nhớ D9 PLC Diameter2 Đường kính khúc gỗ điểm thứ hai, D11 lưu giữ ô nhớ D11 PLC Diameter3 Đường kính khúc gỗ điểm thứ ba, D13 lưu giữ ô nhớ D13 PLC Diameter4 Đường kính khúc gỗ điểm thứ ba, D15 lưu giữ ô nhớ D15 PLC Rest Lệnh dùng để rest liệu giá trị M0 q trình đo đường kính gỗ Tên Tag Mô tả Thiết lập Tag cho hệ thống Trong nghiên cứu này, có hai loại Tag cần phải thiết lập bao gồm Tag số (Run, Stop, EmergencyStop, RunLight, StopLight, ESLight Reset) Tag tương tự (SpeedPulse, LSPulse1, LSPulse2, LSPulse3, LSPulse4, Diameter1, Diameter2, Diameter3, Diameter4) Các thiết lập Tag mơ tả hình 4.3 Cách thiết lập Tag Với nhóm Tag Bit Cách thiết lập Tag Run thuộc tính mơ tả hình Việc chọn thuộc tính Tag phải tương thích với cấu hình truyền thông thiết lập chương Với cách thiết lập thuộc tính hình 4.4, đầu vào X000 PLC FX3G có tín hiệu vùng nhớ X có địa 0.0 có giá trị Cách thiết lập thuộc tính cho Tag Run - Tương tự trên, thiết lập thuộc tính cho Tag Stop, Tag EmergencyStop Kết thuộc tính Tag thể hình 4.5 hình 4.6 Thuộc tính cho Tag Stop Thuộc tính cho Tag EmergencyStop - Với Tag đại diện cho đầu PLC FX3G (RunLight, StopLight ESLight), cách thiết thuộc tính thể hình 4.7, hình 4.8 hình 4.9 Thuộc tính cho Tag RunLight Thuộc tính cho Tag StopLight Thuộc tính cho Tag ESLight - Với Tag Rest, cách thiết lập thuộc tính thể hình Thuộc tính cho Tag Rest Với nhóm Tag có liệu đếm (Counter) PLC - Cách thiết lập Tag SpeedPulse mơ tả hình Việc chọn thuộc tính Tag phải tương thích với cấu hình truyền thông thiết lập chương Với cách thiết lập thuộc tính hình liệu ô nhớ C0 (bộ đếm để lấy mẫu tốc độ theo công thức 2.5 nghiên cứu [11]) PLC-FX3G lưu giữ vùng nhớ SpeedPulse có địa 40 AutoBase Cách thiết lập thuộc tính cho Tag SpeedPulse - Tương tự trên, kết thiết lập Tag cho đếm LSPulse1, LSPulse2, LSPulse3 LSPulse4 thể hình 12, hình 13, hình 14 hình 15 Hình 12: Thuộc tính Tag LSPulse1 Hình 13: Thuộc tính Tag LSPulse2 Hình 14: Thuộc tính Tag LSPulse3 Hình 15: Thuộc tính Tag LSPulse4 Với nhóm Tag thuộc vùng nhớ D PLC ( vùng nhớ PLC dùng để lưu trữ liệu đường kính điểm khúc gỗ) Cách thiết lập Tag Diameter1 cho đường kính khúc gỗ điểm thứ mơ tả hình 16 Việc chọn thuộc tính Tag phải tương thích với cấu hình truyền thơng thiết lập chương Với cách thiết lập thuộc tính hình 4.16 liệu nhớ D9 (lưu giữ giá trị đường kính khúc gỗ điểm thứ nhất) PLC-FX3G lưu giữ ô nhớ có địa 14 AutoBase Do giới hạn đường kính khúc gỗ theo u cầu cơng nghệ nhỏ 1000 mm, ta chọn giá trị lớn để hiển thị hình 1000 mm (hình 16) Hình 16: Cách thiết lập thuộc tính cho Tag Diameter1 Tương tự trên, kết thiết lập cho Tag Diameter2 (giá trị đường kính khúc gỗ điểm thứ 2), Tag Diameter3 (giá trị đường kính khúc gỗ điểm thứ ) Tag Diameter4 (giá trị đường kính khúc gỗ điểm thứ 4) thể hình 17, hình 18 hình 19 Hình 17: Thuộc tính cho Tag Diameter2 Hình 18: Thuộc tính cho Tag Diameter3 Hình 19: Thuộc tính cho Tag Diameter4 Kết thiết lập đối tượng liệu Sau kết thúc trình xây dựng đối tượng liệu giám sát, kết Tag xây dựng AutoBase thể hình 20 Bao gồm Tag dùng cho hiển thị tín hiệu đầu vào/ra tín hiệu điều khiển cho PLC- FX3G (Run, Stop, Rest, RunLight, StopLight, ESLight vv), Tag hiển thị giá trị đếm PLC-FX3G (SpeedPulse, LSPulse1, Lspulse2 vv), Tag hiển thị giữ liệu đường kính khúc gỗ (Diameter1, Diameter2, Diameter3, Diameter4) Hình 20: Hệ thống Tag thiết lập cho nghiên cứu ... cứu hệ thống cấp liệu tự động, có hệ thống qt tia laser để tự động tính tốn xác định kích thước hình dạng khúc gỗ, hệ thống cấp liệu thể hình 2.3 Hình 2.3: Hệ thống cấp liệu tự động dây chuyền xẻ. .. (3.5) 3.2.2.2 Hệ thống quét hình dạng, kích thước mặt cắt ngang khúc gỗ a) Cấu tạo hệ thống qt hình dạng kích thước khúc gỗ Cấu tạo hệ thống quét hình dạng kích thước khúc gỗ thể hình 3.15-3.17... Phương pháp đồng dạng mô 20 Chương 21 XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC KHÚC GỖ TRONG 21 DÂY CHUYỀN XẺ GỖ TỰ ĐỘNG 21